多構(gòu)型周期性納米結(jié)構(gòu)的微納融合可控制備及光學特性研究.pdf

1、周期性納米結(jié)構(gòu)在納米光子學、生物傳感、化學分析、光伏發(fā)電等領域擁有巨大的應用潛力，是近年來納米科學領域研究的熱點之一。納間隙或納尖端周期性貴金屬納米結(jié)構(gòu)具有獨特的電磁學特性，是高靈敏度SERS檢測的理想基底，其制備工藝和性能研究受到了廣泛關注?？梢酝ㄟ^“自上而下”和“自下而上”兩種方法實現(xiàn)納尖端、納間隙結(jié)構(gòu)陣列的可控制備。但是，離子束刻蝕、納米壓印等“自上而下”的方法，設備昂貴，制備效率低，不適合批量化生產(chǎn)；納米球光刻等“自下而上”的方

2、法具有成本低廉、制備效率高等優(yōu)點，但是其自組裝過程緩慢、結(jié)構(gòu)形貌有限等缺點限制了其進一步應用。
　　針對高性能SERS基底的應用需求，建立了微納融合制備方法，實現(xiàn)了納間隙、納尖端周期性結(jié)構(gòu)的可控制備，優(yōu)化了周期性納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)型和尺寸參數(shù)，仿真了納間隙、納尖端周期性結(jié)構(gòu)的電磁場分布，分析了表面等離子體共振性質(zhì)隨周期性納米結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)的變化關系，實現(xiàn)了高靈敏度SERS基底的高效可控制備。主要研究工作和結(jié)果如下：
　　1.針對大面

3、積周期性納米結(jié)構(gòu)的高效可控制備需求，將旋涂、等離子體刻蝕等微加工工藝與納米球光刻技術(shù)有機融合，建立了一種大面積周期性納米結(jié)構(gòu)的高效制備工藝方法。采用旋涂技術(shù)對多種粒徑聚苯乙烯膠體球進行自組裝，實現(xiàn)了晶圓級二維有序膠體晶體的可控制備，膠體晶體覆蓋率可達90％以上；以單層PS膠體晶體為模板，利用等離子體刻蝕技術(shù)、金屬沉積技術(shù)，實現(xiàn)了周期性硅納米孔結(jié)構(gòu)、金屬納米孔結(jié)構(gòu)和月牙形納米結(jié)構(gòu)的可控制備，驗證了該方法的高效可控性。
　　2.針對周

4、期性“納間隙”結(jié)構(gòu)的應用需求，基于微納融合制備方法設計了兩種周期性“納間隙”結(jié)構(gòu)的工藝路線，分別實現(xiàn)了周期性 PIB結(jié)構(gòu)和納米棒結(jié)構(gòu)的高效可控制備。結(jié)果表明，周期性PIB結(jié)構(gòu)局域電場最大增強倍數(shù)可達80以上，拉曼增強因子約為1.12×107。周期性納米棒結(jié)構(gòu)中納米間隙的密度約為1.13×107/mm2，對R6G溶液的檢測極限低至10-8mol/L。
　　3.針對周期性“納尖端”結(jié)構(gòu)的應用需求，基于微納融合制備方法實現(xiàn)了金字塔和六角

5、星錐兩種周期性“納尖端”結(jié)構(gòu)的可控制備。周期性金字塔結(jié)構(gòu)脫模于（100）硅片的四面體型納米孔，可以由全金或金-PDMS兩種材質(zhì)制備，在平面或曲面上均可制備。周期性六角星錐結(jié)構(gòu)基于雙層PS膠體晶體掩模的金屬動態(tài)沉積技術(shù)制備，具有高密度尖端和棱角。理論分析與實驗研究表明，周期性金字塔結(jié)構(gòu)和六角星錐結(jié)構(gòu)的電磁場在尖端處聚集，具有良好的SERS性能。
　　4.針對密堆型周期性納米結(jié)構(gòu)工藝魯棒性不佳的問題，提出了一種動態(tài)掩模和過刻蝕相結(jié)合的